碳纖維導(dǎo)線在500kV雙回輸電線路中的應(yīng)用研究

盛尊華，王 煒，劉 哲

（河北省電力勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，石家莊 050031）

碳纖維復(fù)合芯 （Aluminum Conductor Composite Core，ACCC）導(dǎo)線與傳統(tǒng)導(dǎo)線相比具有重量輕、強(qiáng)度大、低線損、弛度小、耐高溫、耐腐蝕、與環(huán)境親和等優(yōu)點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)了電力傳輸?shù)墓?jié)能、環(huán)保與安全。與同樣直徑的鋼芯鋁絞線相比，ACCC 導(dǎo)線可以提供雙倍的載流容量。為進(jìn)一步推動(dòng)國家電網(wǎng)公司新技術(shù)的創(chuàng)新和應(yīng)用，針對(duì)目前電網(wǎng)中部分輸電線路輸送能力不足等問題，考慮在500kV 輸電線路中應(yīng)用ACCC導(dǎo)線，以提高電網(wǎng)的輸送能力。以下對(duì)某500kV 雙回輸電線路應(yīng)用ACCC 導(dǎo)線方案的電氣性能、機(jī)械性能、經(jīng)濟(jì)性進(jìn)行分析，為ACCC 導(dǎo)線在線路工程中的推廣應(yīng)用積累經(jīng)驗(yàn)。

1 概述

1.1 工程概況

西柏坡－石西500kV 雙回線路全長71.7km，位于河北省石家莊市平山縣、井陘縣、鹿泉市、元氏縣境內(nèi)，全線地形為高山、一般山地、丘陵及平地，同塔雙回路架設(shè)。主要設(shè)計(jì)氣象條件分2種：高山和一般山地段的基本風(fēng)速29m／s、覆冰10mm；平丘段的基本風(fēng)速27m／s、覆冰5mm。常規(guī)導(dǎo)線方案為采用4×JL／G1A－400／35 鋼芯鋁絞線；全線架設(shè)雙地線，其中一根為OPGW－150（36）光纜。全線按e級(jí)污區(qū)配置絕緣。西柏坡－石西雙回線路正常情況下輸送潮流2×927 MVA，N－1情況下輸送潮流1 470.4 MVA，在相關(guān)其他線路嚴(yán)重故障方式下輸送潮流2×1750 MVA。正常情況下線路輸送潮流的功率因數(shù)可按0.95計(jì)算。河北省南部電網(wǎng)最大負(fù)荷利用小時(shí)數(shù)在6 000h左右。

1.2 ACCC導(dǎo)線方案

根據(jù)系統(tǒng)情況，西石線路的常規(guī)導(dǎo)線方案采用4×JL／G1A－400／35銅芯鋁絞線。以下分別按照等截面原則、等輸送容量原則選擇相應(yīng)型號(hào)的ACCC導(dǎo)線進(jìn)行研究。

a.按等截面原則，采用4×JLRX／F1－450／50 ACCC導(dǎo)線，其重量、直徑均接近（不大于）常規(guī)導(dǎo)線，可以采用與常規(guī)導(dǎo)線方案相同的鐵塔塔型、基礎(chǔ)、絕緣配置，除導(dǎo)線本身及個(gè)別相關(guān)金具外，其他技術(shù)方案與常規(guī)導(dǎo)線方案相同。按等截面原則，實(shí)際上所選ACCC 導(dǎo)線型號(hào)為以常規(guī)導(dǎo)線各技術(shù)方案為限制條件的最大型號(hào)。

b.按等輸送容量原則，采用4×JLRX／F1－240／30ACCC 導(dǎo)線，其輸送容量不小于常規(guī)4×JL／G1A－400／35鋼芯鋁絞線方案。按等輸送容量原則，實(shí)際上所選ACCC導(dǎo)線型號(hào)為受該種導(dǎo)線最高長期運(yùn)行線溫、電暈等技術(shù)條件限制的最小型號(hào)。

c.為了研究的全面性，在2種方案之間再增加1種方案參與比較，選取4×JLRX／F1－300／40ACCC導(dǎo)線。各導(dǎo)線的主要參數(shù)見表1。

表1 導(dǎo)線型式及主要參數(shù)

針對(duì)以上3種ACCC 導(dǎo)線方案，計(jì)算分析載流量、電暈、線損等電氣性能，強(qiáng)度、張力、弧垂、覆冰過載能力等機(jī)械性能，導(dǎo)線本身、鐵塔塔材、基礎(chǔ)工程量、絕緣配置等本體工程量和工程造價(jià)。

2 電氣性能分析

碳纖維芯最高使用溫度可以達(dá)到180 ℃，甚至更好，而硬鋁線的長期運(yùn)行溫度僅為70～80 ℃，因此目前ACCC導(dǎo)線的碳纖維芯與更加耐受高溫的軟鋁相配合，這樣可以充分利用導(dǎo)線的耐高溫特性、高導(dǎo)電率特性，使得導(dǎo)線輸送功率大，同時(shí)降低電能損耗。導(dǎo)線在相同運(yùn)行溫度下對(duì)載流量及輸送容量進(jìn)行分析，結(jié)果見表2。

表2 導(dǎo)線載流量和輸送容量分析

計(jì)算各導(dǎo)線方案在正常輸送功率927 MW 與極限輸送功率1 750 MW 下的導(dǎo)線運(yùn)行溫度（環(huán)境溫度按40 ℃考慮），計(jì)算結(jié)果見表3。

表3 導(dǎo)線運(yùn)行溫度和載流量分析

從表2、表3可以看出，與鋼芯鋁絞線4×JL／G1A－400／35同單重的碳纖維導(dǎo)線4×JLRX／F1－450／50的最高線溫為70 ℃時(shí)，載流量和輸送容量略大于鋼芯鋁絞線方案。隨著線溫的升高，輸送容量增加，線溫達(dá)到120 ℃時(shí)輸送容量實(shí)現(xiàn)“倍容”。與鋼芯鋁絞線4×JL／G1A－400／35同輸送容量的其他2種四分裂碳纖維導(dǎo)線方案，運(yùn)行線溫在71～80℃之間，低于碳纖維導(dǎo)線拐點(diǎn)溫度。相同輸送容量下，各導(dǎo)線方案電能損失情況，見表4。其中，正常輸送容量為927 MVA，單相導(dǎo)線電流為282A，環(huán)境溫度為15 ℃，年最大負(fù)荷利用小時(shí)數(shù)為6 000h，年損耗小時(shí)數(shù)為4 350h。

表4 各導(dǎo)線方案電能損失情況

由于JLRX／F1－450／50的載流單元為導(dǎo)電率為63%的軟鋁，該導(dǎo)線比相同截面的鋼芯鋁絞線具有更小的交流電阻。導(dǎo)線截面越小，交流電阻越大，損耗越大［1］。

3 機(jī)械性能分析

ACCC導(dǎo)線采用軟鋁型線作為載流單元，相同截面的型線與圓線相比，直徑小，水平荷載小，可降低塔材指標(biāo)；ACCC導(dǎo)線的拉重比較大，弧垂特性與覆冰過載能力較好。

3.1 弧垂特性［2］

根據(jù)各導(dǎo)線的機(jī)械參數(shù)，計(jì)算其弧垂（桿塔距離按照500m 計(jì)算），結(jié)果見表5。

表5 各導(dǎo)線方案弧垂特性

3.2 荷載特性

為了方便應(yīng)用典設(shè)塔型，與4×JL／G1A－400／35導(dǎo)線的荷載特性相匹配，碳纖維導(dǎo)線JLRX／F1－450／50的安全系數(shù)為3.1。

表6 各導(dǎo)線方案荷載特性與絕緣子串配置方案

由表6可知，碳纖維導(dǎo)線的荷載較小，耐張串與懸垂串的配置與鋼芯鋁絞線的要求相同或較低，可減少附件的相關(guān)費(fèi)用。

4 經(jīng)濟(jì)性分析

4.1 初投資分析

根據(jù)西柏坡－石西500kV雙回線路工程情況，按各導(dǎo)線方案對(duì)應(yīng)的導(dǎo)地線、桿塔、基礎(chǔ)、絕緣子金具及本體工程投資計(jì)算后，得到各導(dǎo)線方案初投資見表7。

表7 各導(dǎo)線方案初投資 萬元／km

由表7可知，碳纖維導(dǎo)線市場(chǎng)價(jià)格較高，導(dǎo)致各碳纖維導(dǎo)線方案初投資均比4×JL／G1A－400／35方案高。

4.2 經(jīng)濟(jì)比較

根據(jù)最小年費(fèi)用法，按碳纖維導(dǎo)線目前市場(chǎng)價(jià)格計(jì)算各導(dǎo)線方案年費(fèi)用見表8。其中，年損耗小時(shí)數(shù)按4 350h計(jì)算，利率按10%計(jì)算。

表8 各導(dǎo)線方案經(jīng)濟(jì)比較

由表8可知，由于碳纖維導(dǎo)線價(jià)格較高，碳纖維導(dǎo)線初期投資較高。4×JLRX／F1－300／40、4×JLRX／F1－240／30小截面碳纖維導(dǎo)線方案由于導(dǎo)線電阻較大，電能損失較高，導(dǎo)線年費(fèi)用均高于4×JLRX／F1－450／50導(dǎo)線方案。

5 結(jié)論

a.ACCC導(dǎo)線的電氣性能優(yōu)良，其高導(dǎo)電率特性，使得導(dǎo)線輸送功率較大，可以滿足西石線路的使用要求。

b.ACCC導(dǎo)線的機(jī)械性能優(yōu)良，可以滿足工程需要。其中，搖擺角問題可以通過調(diào)整塔位、塔高解決，不是重要的影響因素。

c.3種ACCC導(dǎo)線方案中，按等截面原則選擇的4×JLRX／F1－450／50方案其全壽命經(jīng)濟(jì)性最優(yōu)；按等輸送容量原則選擇的4×JLRX／F1－240／30方案其工程本體投資最省。

［1］尤傳永.增容導(dǎo)線在架空輸電線路上的應(yīng)用研究［J］.電力設(shè)備，2006，7（10）：17－19.

［2］梁旭明，余 軍，尤傳永.新型復(fù)合材料合成芯導(dǎo)線技術(shù)綜述［J］.電網(wǎng)技術(shù)，2006，30（19）：16－18.

［3］Alawar A，Bosze E J，Nuu S R，A composite core conductor for low sag at high temperatures［J］.IEEE Transactions on Power Delivery，2005，20（3）：193－199.